KR20160095807A - 고온 가스켓용 혼합무기질계 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 고온 가스켓용 혼합무기질계 조성물 및 그 제조방법에 있어서, 카올린, 알루미나, 세라믹 필러, 탈크, 세라믹 화이버, 글라스 화이버, 물, 0.1M NaOH, 분산제 및 소포제와 함께 유기바인더 및 무기바인더를 이용하여 조성물 슬러리를 제조하는 단계와; 상기 조성물 슬러리를 열처리하여 형성가공하는 단계를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 고온에서도 기밀성을 유지가능하고, 형상의 변화가 없는 효과를 얻을 수 있다.

Description

고온 가스켓용 혼합무기질계 조성물 및 그 제조방법 {The mixed inorganic system and a method of manufacturing for the high temperature gasket}

본 발명은 고온 가스켓용 혼합무기질계 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 조정개선을 통해 고온에서도 기밀성을 유지가능하고, 형상의 변화가 없는 고온 가스켓용 혼합무기질계 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 가스켓(Gasket)은 관(Column), 플랜지(Flange) 등 연결면의 기밀을 유지하기 위하여 사용되는 조각으로 온도 및 압력에 따라 재료 및 두께가 상이하게 제조된다. 세계적으로 선박의 엔진 배기 시스템 등에 사용되는 가스켓은, 고온, 고압에서 안정적인 제품을 요구하고 있기 때문에 이러한 요구에 맞춰 고내열성을 가지는 가스켓 제품의 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.

하지만 시중에 판매되고 있는 종래의 가스켓은 고온 선박용 배기가스라인에 설치하였을 경우 선박 운행 중 진동에 의해 플랜지와 플랜지 사이에 미세한 공극과 가스켓 간의 마찰에 의해 가스켓의 파편들이 떨어져 나가는 경우가 발생한다. 이에 의해 가스켓 파편들이 배기가스관에 유입되어 대기 중으로 탄화된 가스켓 파편들이 노출되고 있으며, 가스켓의 마모로 인해 배기가스가 유출되는 문제점이 발생하게 된다.

해외에서 개발되어 있는 초고온용 가스켓은 고내열성을 가지는 질석, 운모 등의 세라믹을 이용하여 개발되었으나, 국내의 기술력으로는 응집력이 약한 세라믹을 응집할 수 있는 무기 바인더가 개발되지 않아 제품 개발이 힘든 상태이다. 현재 국내의 세라믹 가스켓 제조 기술은 500℃에서 사용이 가능하며, 생산 공정 순서는 팽창 질석 → 미분 생산(300mesh) → 무기바인더, 몰 타르 등의 내열성합성수지 혼합 → 고압 압축 → 규격화 원단 생산 및 규격별 가스켓을 생산하고 있다. 이러한 생산 공정에서 사용되는 내열성 합성수지를 혼합하는 공정에서 사용되는 바인더의 영향으로 사용온도가 500℃로 비교적 낮은 편이다. 따라서 수요자의 요구 조건에 만족하기 힘들어 중공업 업계, 발전소 등에서 사용되는 가스켓은 주로 해외에서 개발된 제품을 사용하고 있다.

현재 널리 사용되고 있는 가스켓은 고온에서 내열성, 기밀성 등이 떨어지는데 이를 방지하기 위해 그리스 등을 칠하여 조립 사용한다. 하지만 일반 가스켓은 그 강도가 약하여 잘 찢어지며, 고온에서 형상을 제대로 유지할 수 없이 파손되어 사용할 수 없게 되는 문제점이 있다.

대한민국특허청 등록특허 제10-1203368호 대한민국특허청 등록특허 제10-0980622호 대한민국특허청 공개특허 제10-2012-0009052호 대한민국특허청 공개특허 제10-2007-0092649호 대한민국특허청 공개실용신안 제20-2008-0005671호

따라서 본 발명의 목적은 조정개선을 통해 고온에서도 기밀성을 유지가능하고, 형상의 변화가 없는 고온 가스켓용 혼합무기질계 조성물 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적은, 카올린, 알루미나, 세라믹 필러, 탈크, 세라믹 화이버, 글라스 화이버, 물, 0.1M NaOH, 분산제 및 소포제와 함께 유기바인더 및 무기바인더를 이용하여 조성물 슬러리를 제조하는 단계와; 상기 조성물 슬러리를 열처리하여 형성가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 가스켓용 혼합무기질계 조성물 및 그 제조방법에 의해 달성된다.

상술한 본 발명의 구성에 따르면 고온에서도 기밀성을 유지가능하고, 형상의 변화가 없는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 실시예 1 내지 3에 따른 가스켓의 기체누설율을 비교한 그래프이고,
도 2는 실시예 1 내지 3에 따른 가스켓의 수축율을 비교한 그래프이고,
도 3은 실시예 1 내지 3에 따른 가스켓의 강열감량을 비교한 그래프이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 고온 가스켓용 혼합무기질계 조성물 및 그 제조방법을 상세히 설명한다.

먼저 카올린, 알루미나, 탈크, 세라믹 화이버, 가소제 및 바인더로 선택된 성분으로 이루어진 무기재료와 수계용매 간의 혼합을 통해 균일하게 분산된 슬러리를 제조한다. 이때, 슬러리는 충분한 밀링(Milling)을 통해 분말 상의 응집체를 분리시키고 무기재료와 수계용매 성분들이 균일하게 혼합되도록 한다.

가스켓 조성물을 제조하기 위한 슬러리 혼합물의 성분은 카올린 43 내지 53g, 알루미나 18 내지 28g, 세라믹 화이버 18 내지 28g, 탈크 1 내지 11g, 세라믹 섬유 1 내지 24g, 글라스 화이버 1 내지 24g, 0.1M NaOH 0 내지 3g, 물 15 내지 25g, 분산제 1 내지 3g, 소포제 1g, 유기바인더 5 내지 15g, 바인더 5 내지 15g의 조성으로 이루어지는 것이 바람직하다.

여기서 카올린은 주성분이 규산 50 내지 70중량%, 알루미나 15 내지 30중량%가 포함되며, 그 외에도 산화철, 산화칼슘, 산화마그네슘, 산화칼륨 등이 추가로 혼합될 수 있는데, 정구조와 화학 조성에 따라 매우 다양하게 추가된다. 다양한 종류의 점토 DTA를 관찰한 결과 약 80℃ 및 510℃ 두 군데에서 흡열 피크가 관찰되는데, 각각의 피크는 80℃에서 수분의 증발, 510℃에서 OH기의 이탈에 의한 피크로 예측된다. TGA의 경우 800℃에서 최대 20%정도의 중량 감소를 보였고, 이러한 중량 감소의 주된 원인은 80℃에서 발생한 층간수 제거에 의한 것으로 보여진다. 카올린의 결정은 얇은 판상으로 이루어지며 그 두께는 약 1nm로, 이 얇은 결정을 몇만 층으로 적층하여 막을 형성하는 클래이스트(Claist)를 통해 고온 조건에서 산소나 수소에 대한 높은 가스 차단성능, 복사 용지와 같은 수준의 유연성을 겸비한 재료이다. 이러한 성질로 인해서 카올린은 고온에서도 안정한 물질로 널리 사용되고 있고, 가스켓의 주성분으로 적합하다.

다음으로, 알루미나는 내열성, 강도, 절연파괴를 일으키지 않고 사용가능한 전압이 가장 크고, 열전도성도 상당히 크기 때문에 이러한 우수한 특성으로 인해 세라믹 재료의 주류를 점유 중이다. 이러한 알루미나의 함유량이 늘어날수록 각종 성능 역시 향상되기 때문에, 다양한 가스켓 제품의 주원료로 사용되고 있으며 특히 내열성을 갖추기 위한 기본 조건으로 필수적으로 사용되는 재료이다.

탈크는 함수 마그네슘 규산염 광물로 Triochahedral형의 3층 구조 형 층상 구조 광물로서, 주로 필러 형태로 사용되고 있다. 이러한 탈크가 첨가되면 내화학성, 내약품성, 폴리머 가공성, 풍화저항성이 개선되기 때문에 이러한 목적으로 주로 사용된다. 특히 열의 변화나 수축, 팽창계수가 작아 세라믹 제품에 널리 사용되고 있는 제품 중 하나이다.

세라믹 섬유는 알루미나를 주성분으로 하는 알루미나 섬유의 경우 1500℃ 이상의 고온에서도 견디는 고온 단열재로 사용되는 재료로, 내열성 및 성형성이 우수하고 다공성 구조를 가지고 있어 흡착제 및 촉매의 담지가 용이하다. 고온 관 또는 플랜지의 경우 큰 온도 차이에 의해 열팽창율이 다른 금속용기/세라믹 극간의 팽창 및 수축을 반복하기 때문에 이 극간에 삽입된 쿠션재료는 반복적으로 압축을 받게 된다. 이와 같은 고온에서 반복 압축이 되는 조건 하에서도 쿠션성을 손상시키지 않고 보호하며, 동시에 극간을 차단하여 가스의 누출을 방지하는 재료로서 세라믹 섬유를 많이 사용하고 있다. 우수한 내열성이나 니들펀치 처리에 의한 섬유의 비산 방지를 추가하고, 반복 압축에 견디는 강도와 유연성을 부여한 전용 세라믹 섬유는 우수한 특성을 나타내고 있다.

글라스 화이버는 세라믹 섬유와 마찬가지로 고온에서도 형상의 변화가 거의 없고 안정적인 물질이다. 슬러리로 제조된 가스켓의 경우 지지체가 없기 때문에 열처리 후에 결합의 약함으로 인해서 가공의 어려움을 가지고 있다. 글라스 화이버는 이러한 문제를 해결하고자 조성 상에 추가되었고, 슬러리 내의 글라스 화이버는 열처리 시에 구조체 내에서 지지체 역할을 수행하며 결합을 단단하게 만들어 준다. 고온 가스켓의 경우 유기 바인더로 지지하기에는 사용 환경이 열악하여 이를 버틸 수 없기 때문에 글라스 화이버와 무기 바인더를 혼합 사용하여 이를 극복한다.

글라스 화이버 및 무기질의 분산에 있어서 pH의 경우 중요한 요소로 작용한다. 파우더로 혼합된 물질의 경우 일반적인 분산제로 용매에 분산이 가능하지만 수계에서 글라스 화이버의 경우 이를 위해서는 pH 조절이 수반된다. 분산제 및 계면활성제는 각 물질마다 극성을 띄는 pH가 존재한다. 슬러리의 경우 pH가 8 이상일 때 분산이 용이하게 일어나며, pH 8 미만에서는 분산 효율이 떨어진다. 따라서 0.1M NaOH의 혼합이 필요하며, pH를 조절하기 위해 NaOH를 용매에 혼합해준다.

고분자의 유연성이나 가공성을 개량하기 위해서도 여러 첨가제가 사용되며, 특히 PVC의 경우 상온에서 단단하고 깨지기 쉬운 유리상의 물질이지만 여기에 유기바인더를 첨가하게 되면 용융온도 및 용융점도를 저하하여 성형 가공하기 쉬운 상태가 된다. 이와 같이 플라스틱의 부서짐을 제거하고 소성 가공이 용이하도록 하는 것을 가소화(Plasticization)라고 하는데, 대부분의 가소제는 활성이 없는 액체로써 용매의 기능과 유사한 역할을 하지만, 용제와 비교하여 분자량이 크고 휘발하기 어려운 점에서 용제와 상이하다.

마지막으로 바인더는, 수계에서 분체 표면의 전기 이중층 전하에 의한 척력과 반데르발스 인력의 균형 및 고분자 흡착에 의한 입체 장애 척력에 따른 안정화 작용이 지배 인자이며, 일반적으로 pH 조정이 중요하다. 바인더로서는 용제가 증발해서 만들어지는 공극을 매워 응력을 완화시키기 때문에 조막성이 높은 것을 요하고, 슬러리 건조성이 바인더에 따라 좌우된다. 무기바인더의 경우 친수성이 강한 알칼리 금속을 함유하고 있어 점결력, 분산력이 우수하여 다양한 용도로 사용된다.

물은 비수계의 경우 작업환경의 열악함으로 인해서 선호되지 않는다. 이를 해결하고자 용매를 물로 설정하여 비수계에 비해 작업환경 등을 개선한다.

이와 같은 성분들이 균일하게 혼합된 슬러리를 일정 온도에서 건조시켜 슬러리 내의 바인더 및 무기질과의 결합을 형성한다. 건조단계에서 일부 바인더나 가소제 역할을 하는 물질이 제거되더라도 남아있는 무기질과의 결합으로 인하여 가스켓 시트는 유연성을 확보할 수 있다.

이하에서는 가스켓 제조 공정을 조건을 달리한 본 발명의 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.

<실시예 1>

카올린 43중량%, 알루미나 18중량%, 세라믹 필러 18중량%, 탈크 1중량%, 세라믹 화이버 1중량%, 글라스 화이버 1중량%, 물 10중량%, 0.1M NaOH 0중량%, 분산제 1중량% 및 소포제 1중량%와 함께 유기바인더 및 무기바인더를 혼합 용기에 넣은 뒤 클러스터를 이용하여 약 30분간 혼합하였다. 혼합한 슬러리를 건조기를 이용하여 수분을 제거한 뒤 200 내지 300℃에서 2차 건조를 하여 제조하였다.

<실시예 2>

카올린 48중량%, 알루미나 23중량%, 세라믹 필러 23중량%, 탈크 6중량%, 세라믹 화이버 2.5중량%, 글라스 화이버 2.5중량%, 물 20중량%, 0.1M NaOH 0.15중량%, 분산제 2중량% 및 소포제 1중량%와 함께 유기바인더 및 무기바인더를 혼합 용기에 넣은 뒤 클러스터를 이용하여 약 30분간 혼합하였다. 혼합한 슬러리를 건조기를 이용하여 수분을 제거한 뒤 200 내지 300℃에서 2차 건조를 하여 제조하였다.

<실시예 3>

카올린 53중량%, 알루미나 28중량%, 세라믹 필러 28중량%, 탈크 11중량%, 세라믹 화이버 4중량%, 글라스 화이버 4중량%, 물 25중량%, 0.1M NaOH 3중량%, 분산제 3중량% 및 소포제 1중량%와 함께 유기바인더 및 무기바인더를 혼합 용기에 넣은 뒤 클러스터를 이용하여 약 30분간 혼합하였다. 혼합한 슬러리를 건조기를 이용하여 수분을 제거한 뒤 200 내지 300℃에서 2차 건조를 하여 제조하였다.

		실시예 1			실시예 2			실시예 3
		중량			중량			중량
카올린		43			48			53
알루미나		18			23			28
세라믹 필러		18			23			28
탈크		1			6			11
세라믹 화이버		1			2.5			4
글라스 필러		1			2.5			4
물		10			20			25
0.1M NaOH		0			0.15			3
분산제		1			2			3
소포제		1			1			1
바인더	유기 바인더	113	830	850	113	830	850	113	830	850
		10	12.5	12.5	10	12.5	12.5	10	12.5	12.5
	무기 바인더	5			10			15

도 1 내지 도 3은 실시예 1 내지 3을 통해 제조된 가스켓을 각각 테스트한 결과로, 도 1은 기체누설율에 관한 것으로 실시예 2가 고온에서도 누설되는 가스량이 가장 적은 것을 확인할 수 있다. 도 2는 가스켓 수축률에 관한 것으로 실시예 3이 수축률이 가장 적지만, 대체적으로 실시예 1 내지 3 모두 수축률이 적어 우수한 가스켓이 제조된 것을 확인할 수 있다. 도 3은 강열감량을 실험한 것으로 강열감량 또한 대체적으로 우수한 것을 확인할 수 있다.

본 발명은 내열성 재료와 세라믹 화이버로 이루어진 가스켓의 조성물에 관한 것으로, 고온의 유체가 흐르는 관 또는 플랜지 사이를 결합하는 역할을 한다. 이러한 가스켓을 카올린, 알루미나, 탈크, 세라믹 화이버, 가소제 및 바인더로 이루어진 조성물로 제조하여, 고온에서도 기밀성을 유지하고 형상 변화가 없는 가스켓을 얻을 수 있다.

Claims (1)

1. 고온 가스켓용 혼합무기질계 조성물 제조방법에 있어서,
   카올린, 알루미나, 세라믹 필러, 탈크, 세라믹 화이버, 글라스 화이버, 물, 0.1M NaOH, 분산제 및 소포제와 함께 유기바인더 및 무기바인더를 이용하여 조성물 슬러리를 제조하는 단계와;
   상기 조성물 슬러리를 열처리하여 형성가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 가스켓용 혼합무기질계 조성물 제조방법.

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